CN116914450A - 一种阵列天线及雷达设备 - Google Patents

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Abstract

一种阵列天线，包括：信号输入端口，其与布线传输线部分的末端相连；过渡部分，连接布线传输部分和辐射传输部分；辐射传输部分包括辐射传输腔，辐射传输腔为腔体结构，位于辐射口径部分的下方；辐射口径部分包括多个辐射缝隙和辐射腔体；第一信号经过所述布线传输线部分被馈送至过渡部分，沿着辐射传输部分开口处馈入后成第二信号，第二信号后在辐射传输腔内传输，辐射口径部分位于辐射传输部分的上部，该辐射传输腔体内的能量通过辐射口径部分向外辐射。过渡部分是从辐射传输腔中间开口，沿着水平/垂直方向延伸设置。在达到宽带、高增益等需求的情况下，实现低剖面的波导天线，以满足新领域需要。

Description

一种阵列天线及雷达设备
技术领域
本发明属于天线的设计领域，尤其涉及一种阵列天线及雷达设备。
背景技术
汽车毫米波(MMW)雷达由于其在各种天气条件下的鲁棒性，是自动驾驶汽车的关键。传统的商用汽车雷达受到其分辨率的限制，很难对探测目标进行区分和识别。因此，这两年提出了新一代四维(4D)成像雷达的概念。它具有高方位角和高程分辨率，并包含多普勒信息，可以产生高质量的点云。而4D成像雷达通常采用MIMO天线阵列的形式，往往天线通道数越多，角度分辨也越高。天线元件一直是雷达性能的一个决定因素。随着汽车雷达可用带宽从76-77GHz波段的1GHz增加到新可用的77-81GHz波段的4GHz，天线元件也需要提供这种增加的带宽。
传统的汽车毫米波雷达天线通常采用微带阵列天线的形式，但微带阵列辐射效率低，且带宽较窄。所以为了提高天线增益，实现更远的探测距离，微带阵列需要较多的辐射单元和更大辐射口径。但在4D雷达的应用中，随着天线通道数的增加，微带阵列天线已无法兼顾***尺寸和天线的增益及带宽性能需求。
而波导天线因为更高的辐射效率，汽车毫米波雷达可以是其一个新的应用领域。传统的波导采用金属机加工的工艺，所以成本昂贵，且非常笨重。但3D打印、塑料金属化等工艺使低成本的波导天线成为可能。结合工艺可行性，目前结构最简单的侧馈波导宽边缝隙阵列，带宽较窄，且水平面上，宽边尺寸较大，不利于MIMO阵列的网络布线。而垂直方向全并馈的腔体阵列天线，带宽很宽，但在垂直方向上因为多级馈电网络的存在，剖面高度较大，且需要更多的分层结构，大大增加了加工的难度。
如何在达到宽带、高增益等需求的情况下，实现低剖面，便于布阵，易于加工成为了波导天线在新领域需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列天线及雷达设备，以解决现有技术中在达到宽带、高增益等需求的情况下，实现低剖面的波导天线，以满足新领域需要的技术问题。
本发明提供一种阵列天线，包括：辐射口径部分、辐射传输部分、过渡部分，布线传输部分及信号输入端口；
信号输入端口，其与布线传输线部分的末端相连；
过渡部分，连接布线传输部分和辐射传输部分；
辐射传输部分包括辐射传输腔，辐射传输腔为腔体结构，位于辐射口径部分的下方；
辐射口径部分包括至少多个辐射缝隙和辐射腔体；
按发射信号时的路径为：第一信号经过所述布线传输线被馈送至过渡部分，沿着辐射传输部分开口处馈入后成第二信号，第二信号后在辐射传输腔内传输，辐射口径部分位于辐射传输部分的上部，该辐射传输腔体内的能量通过辐射口径部分向外辐射，如果做接收信号时，整体路线反过来。
较佳地，辐射传输部分开口处设置在辐射传输腔底部的中间位置，过渡部分是从辐射传输腔中间开口，沿着水平方向延伸设置，其包括至少台阶，凹陷，Y型枝节或T型枝节等一个或多个特征。
较佳地，辐射传输部分开口处设置在辐射传输腔底部的中间位置，所述过渡部分可以从辐射传输腔中间，沿着垂直方向延伸设置，其包括至少台阶、凹陷、缝隙和耦合枝节等一个或多个特征。
较佳地，一个或多个台阶为辐射传输腔的下表面中心线上有沿着腔体延伸方向突起设置的，其中所述台阶从辐射传输腔体中间开口处断开。台阶属于辐射传输腔的台阶。
较佳地，台阶高度小于传输辐射腔体高度，其中台阶相对于辐射传输腔体中心线偏移的程度，以调节辐射传输腔左右两侧获得能量的分布。
辐射口径部分为单层，单层的辐射口径部分包括1个、多个辐射缝隙或辐射腔体。
较佳地，辐射口径部分为多层，多层的辐射口径包括多个独立的辐射缝隙或辐射腔体，在独立的辐射缝隙或辐射腔体上方，有至少一层大的辐射腔体，口径覆盖所有独立的辐射缝隙或辐射传输腔体。
辐射腔体可以采用对称结构和非对称结构中的其中一种，根据天线波束要求利用所述辐射腔体的结构对波束指向进行控制。
较佳地，信号输入端口是波导口、基片集成波导、微带线、带状线或共面波导在内的射频传输线端口。布线传输部分是空腔波导、微带线、或者共面波导。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先：过滤部分实现布线传输线传输的第一信号与辐射传输腔传输的第二信号之间的方向转化及相应的阻抗匹配。在达到宽带、高增益等需求的情况下，可以实现低剖面。
其次，本实例中辐射传输腔体被从中间激励，由中间向两侧传输辐射，从而减少了单侧串馈的谐振单元数，由此有利于改善阵列带宽。
还有，独立的辐射缝隙或腔体可以直接位于辐射传输波导腔体的上表面。利用独立缝隙和/或腔体尺寸的调整和位置的分布，可以实现不同辐射缝隙或腔体辐射电磁波的幅度和相位的调整，最终实现阵列需要的低副瓣、波束形状及波束指向等要求。
还有，腔体可以是单层，也可以叠加多层，可以组成的更大的多输入多输出阵列。
再次，辐射口径部分、辐射传输部分、过渡部分，布线传输部分及信号输入端口均可以有波导空腔结构构成，这种波导空腔结构可采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料金属化等工艺实现，制作简单且可以自动化生产。
附图说明
图1为阵列天线第一实施例的结构原理图；
图2为阵列天线第一实施例的部分结构示例图；
图3为阵列天线第一实施例的截面图；
图4为布线传输线及辐射传输线部分的电场方向示例图；
图5为阵列天线第二实施例的结构原理图；
图6为阵列天线第二实施例的截面图；
图7为布线传输线及辐射传输线部分的电磁波传播模式说明图；
图8为阵列天线第三实施例的部分结构图；
图9为阵列天线第四实施例的部分结构图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
本发明的核心在于：一种阵列天线，包括：辐射口径部分、辐射传输部分、过渡部分，布线传输部分及信号输入端口；
信号输入端口，其与布线传输线部分的末端相连；
过渡部分，连接布线传输部分和辐射传输部分，
辐射传输部分包括辐射传输腔，其为腔体结构，位于辐射口径部分的下方；
辐射口径部分包括至少多个辐射缝隙和辐射腔体。
***信号经过布线传输线被馈送至过渡部分，沿着辐射传输部分的开口处馈入，后沿着该辐射传输腔向其两侧传输，辐射口径部分位于辐射传输部分的上部，该辐射传输腔体内的能量通过辐射口径部分向外辐射。过滤部分实现布线传输线传输的第一信号与辐射传输腔传输的第二信号之间的方向转化及相应的阻抗匹配。按发射信号时的路径为：第一信号经过所述布线传输线被馈送至过渡部分，沿着辐射传输部分开口处馈入后成第二信号，第二信号后在辐射传输腔内传输，辐射口径部分位于辐射传输部分的上部，该辐射传输腔体内的能量通过辐射口径部分向外辐射，如果做接收信号时，整体路线反过来。
另外，独立的辐射缝隙或腔体直接位于辐射传输腔的上表面。利用独立缝隙或腔体尺寸的调整和位置的分布，可以实现不同辐射缝隙或腔体辐射电磁波的幅度和相位的调整，多个独立的辐射缝隙或腔体上方是口径覆盖下方所有独立缝隙或腔体的融合腔体，该腔体可以增大阵列的有效辐射口径，提高增益。
还有，信号输入端口可以是波导口，基片集成波导，微带线，带状线，共面波导等射频传输线端口。另外，过渡部分也可以从辐射传输腔中间，沿着水平方向延伸出去，包括至少台阶，凹陷，Y型枝节或T型枝节等一个或多个特征。
为此，本发明特意举几个实施例，来说明本发明。
第一实施例
请参阅图1，其为本发明阵列天线的第一实例示例图。在本实例中，信号输入端口110采用的波导端口。布线传输部分120采用E面(窄边)平行于水平面的均匀空腔波导结构，***信号(第一信号)输入口位置的信号经过布线传输部分120(本实例采用的是波导传输线)被馈送至输射传输部分的辐射口径附近。实现辐射传输部分140主体是波导空腔，波导传输线中的电磁波(第一信号)经过过渡结构130，沿着辐射传输波导水平方向的开口处馈入，然后沿着波导腔体向其两侧传输。辐射口径部分150位于辐射传输波导腔体141的上表面，辐射传输波导腔体141内的能量(第二信号)通过辐射口径部分150向外辐射。布线传输线120采用E面(窄边)平行于水平面的均匀空腔波导结构，可以减小传输波导的横截面，有利于后续在更紧凑的尺寸下布置多输入多输出阵列的馈电。
请参阅图2，其为本发明阵列天线部分结构示例图。该结构中移除信号输入端口110和布线传输部分120，着重介绍过渡部130和辐射传输部分140。辐射传输部分140包括辐射传输腔体141，辐射传输腔体141的底部中间位置143设置一开口。本实例中辐射传输腔体143被从中间激励，由中间向两侧传输辐射，从而减少了单侧串馈的谐振单元数，由此有利于改善阵列带宽。但是，开口设置的位置不局限于中间位置，也可以是底部的某一位置，可以是中间，也可以是侧部。但是本实例中设置在中间，可以将第二信号即辐射信号从中间激励向两侧传输辐射，优化阵列结构。辐射传输腔141的下表面中心线上有沿着腔体延伸方向突起的第三台阶142，其中第三台阶142从辐射传输腔体141中间断开，便于更好的实现对辐射传输线的激励。凸起的第三台阶142形成脊波导结构，有利于较小辐射传输波导的尺寸，进一步增加天线带宽。
以下着重介绍过渡部分130。过渡部分130包括设置在布线传输线110末端的凹陷133和辐射传输腔体141的底部开口处延伸设置的第一台阶131和第二台阶132。第一台阶131和第二台阶132之间中间设置断口134。布线传输线末端的凹陷133呈一容置槽状，第一台阶131和第二台阶132位于该容置槽内，并且辐射传输腔体141的底部设置的开口也位于该容置槽内。过渡部分130实现电磁波的方向转换间的阻抗匹配，实现电磁波的良好过渡。在本实例中，过渡部分30可以采用第一台阶131和第二台阶132，也可以仅采用一个台阶。
如图3和图4所述，图4为布线传输线及辐射传输线部分的电场方向示例图。布线传输部分120电场方向平行于水平面，而辐射传输部分140电场方向垂直于水平面。传统实现90°电场方向旋转的光滑过渡的扭波导长度一般是n*λg/2(n≥2)，λg为对应波导波长,n为正整数。该结构尺寸大，加工复杂。该实施例的过渡部分130将辐射传输波导和布线传输波导从辐射传输波导中间部分在水平维直接相连，波导传输进行跳变。然后利用两者内部本身的空间，即布线传输波导末端的凹陷和辐射传输波导中间的台阶结构，实现两部分相互垂直电场间的良好的匹配。根据等效电路原理，其中调整布线传输线部分的凹陷结构133(如调整凹陷的宽度和深度)等效于调节并联电容，调整第一台阶131和第二台阶132的宽度等效于串联电容，调节单级或多级台阶的高度等效于串联或者并联电感。第一台阶31和第二台阶132的高度小于0.75倍的传输辐射腔体141的高度(传输辐射腔体141为单腔体式的设置)。其中第一台阶131和第二台阶132相对于辐射传输腔体141中心线偏移的程度，还可以调节辐射传输腔141左右两侧获得能量的分布。在具体实施过程中，可以通过各种仿真验证，确认适合该具体应用场景的凹陷结构深度和宽度、台阶的宽度等具体值。
辐射口径部分150，独立的辐射缝隙152或腔体151直接位于辐射传输波导腔体的上表面。利用独立缝隙152或腔体151尺寸的调整和位置的分布，可以实现不同辐射缝隙或腔体辐射电磁波的幅度和相位的调整，最终实现阵列需要的低副瓣、波束形状及波束指向等要求。多个独立的辐射缝隙152或腔体151上方是口径覆盖下方所有独立缝隙或腔体的融合腔体，该腔体可以增大阵列的有效辐射口径，提高增益，同时腔体四周可以采用不对称设计，进一步实现对波束指向或波束形状的调整。请参阅图3，辐射腔体151从截面来看，辐射腔体151的腔体结构可以呈现侧面外扩的结构，增大有效辐射口径。
还有，这样的腔体151可以是单层，也可以叠加多层，本实施例采用了两层。该实施例设计及由该实施例组成的更大的多输入多输出阵列，均有波导空腔结构构成，这种波导空腔结构可采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料金属化等工艺实现。
第二实施例
与第一实施例不同之处主要在于布线传输部分和过渡部分。以下详细介绍。
请参阅图5和图6，本实例的阵列天线同样包括：辐射口径部分250、辐射传输部分240、过渡部分230，布线传输部分220及信号输入端口210。
在本实例中，信号输入端口210采用共面波导，布线传输部分220也采用的共面波导，***信号(第一信号)通过共面波导输出，经过同样是共面波导的布线传输线220被馈送至辐射口径附近。实现辐射传输部分主体是波导空腔，共面波导传输线中的电磁波经过过渡结构230，沿着辐射传输波导垂直方向的开口(本实例中，开口同样开设在腔体的中间位置)馈入，然后沿着波导腔体向其两侧传输。辐射口径部分250位于辐射传输波导腔体(即辐射传输部分240)的上表面，辐射传输波导腔体内的能量通过辐射口径部分250向外辐射。
布线传输线220采用共面波导，线宽非常窄，为后续多阵列的布阵提供了非常大的灵活性。辐射传输腔体(即辐射传输部分240)被从中间激励，由中间向两侧传输辐射，减少了单侧串馈的谐振单元数，有利于改善阵列带宽。与第一实施例类似，辐射传输腔的下表面中心线上有沿着腔体延伸方向突起的第三台阶243，其中第三台阶243从辐射传输腔体中间断开，便于更好的实现对辐射传输线的激励。第三凸起的台阶形成脊波导结构，有利于较小辐射传输波导的尺寸，进一步增加天线带宽。
在本实例中，过渡部分230进一步包括和共面波导传输线末端连接的耦合枝节231，耦合枝节231将电磁波能量耦合激励辐射传输腔中间底部开口的上下贯通的波导腔体内。上下贯通的波导腔体的水平侧壁部分区域置有台阶，可以与辐射传输腔体内的台阶相连，更好的实现阻抗匹配。
该实施例天线整体由两部分组成，信号输入端、布线传输部分及过渡部分的耦合枝节，是平面结构，主要基于介质基板实现。而整体基于腔体波导结构的辐射口径部分，辐射传输部分及过渡部分则可采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料金属化等工艺实现。
如图7所述，布线传输线及辐射传输线部分的电磁波传播模式说明。布线传输线部分采用共面波导，传输的电磁波为准TEM波，而辐射传输腔体部分为TE10模。过渡部分的耦合枝节利用自身的辐射的TM01模式，耦合激励垂直波导腔体内的TE10波。耦合枝节到均匀共面波导之间还可以增加1/4λg的阻抗匹配段，增加阻抗匹配的灵活性。在本实例中，可以调整耦合枝节的辐射面积，但是，一般耦合枝节辐射面积不大于与之相对应的垂直贯通腔的口径面积。
辐射口径部分包括辐射缝隙252和/或腔体251。该部分与第一实施例类似，就不再赘述了。
第三实施例
与前两个实施例不同之处主要在于过渡部分。以下详细介绍。
实现辐射传输部分主体是波导空腔，波导传输线中的电磁波经过过渡结构，沿着辐射传输波导水平方向的中间位置馈入，然后沿着波导腔体向其两侧传输。辐射口径位于辐射传输波导腔体的上表面，辐射传输波导腔体内的能量通过辐射口径向外辐射。
请参阅图8，过渡部分包括设置在布线传输波导末端的凹陷和辐射传输波导中间开口处的Y型枝节331，以实现电磁波的极化转换和阻抗匹配。凹陷呈凹槽状，Y型枝节位于该凹槽内，同理开口处也位于该凹槽内，辐射腔底部开口处延伸出两个台阶，分别与Y型枝节331两个末端相连接。即，Y型枝节331与辐射传输腔两侧的台阶相连，通过控制Y型枝节的两侧的尺寸及Y型枝节的位置偏移，可以对辐射传输腔体两侧的能量进行幅度和相位分布的控制。
辐射口径部分，独立的辐射缝隙或腔体直接位于辐射传输波导腔体的上表面。利用独立缝隙或腔体尺寸的调整和位置的分布，可以实现不同辐射缝隙或腔体辐射电磁波的幅度和相位的调整，最终实现阵列需要的低副瓣、波束形状及波束指向等要求。这一部分和前面的实施例类似，不再详细说明。
第四实施例
与前几个实施例不同之处，本实例布线传输线采用微带线。线宽非常窄，为后续多阵列的布阵提供了非常大的灵活性。
请参阅图9，实现辐射传输部分主体是波导空腔，微带传输线中的电磁波经过过渡结构，沿着辐射传输波导垂直方向的中间位置馈入，垂直方向过渡主要应用于不同类型传输线，水平方向过渡主要应用于同类传输线。所以一般垂直方向过渡结构都会有耦合枝节或者缝隙，用于不同类型传输模式的过渡变换。然后沿着波导腔体向其两侧传输。辐射口径位于辐射传输波导腔体的上表面，辐射传输波导腔体内的能量通过辐射口径向外辐射。布线传输线采用微带线，辐射传输腔体被从中间激励，由中间向两侧传输辐射，减少了单侧串馈的谐振单元数，有利于改善阵列带宽。
过渡部分利用和微带传输线末端连接的耦合枝节，通过辐射传输腔体底部的缝隙，耦合激励辐射传输腔体。
辐射口径部分，独立的辐射缝隙或腔体直接位于辐射传输波导腔体的上表面。利用独立缝隙或腔体尺寸的调整和位置的分布，可以实现不同辐射缝隙或腔体辐射电磁波的幅度和相位的调整，最终实现阵列需要的低副瓣、波束形状及波束指向等要求。多个独立的辐射缝隙或腔体上方是口径覆盖下方所有独立缝隙或腔体的融合腔体，该腔体可以增大阵列的有效辐射口径，提高增益。
该实施例天线整体由两部分组成，信号输入端、布线传输部分及过渡部分的耦合枝节，是平面结构，主要基于介质基板实现。而整体基于腔体波导结构的辐射口径部分，辐射传输部分及过渡部分则可采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料金属化等工艺实现。辐射口径部分和辐射传输部分、过渡结构部分、布线传输部分及信号输入端口的任一结构涉及立体波导的，都可以采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料成型制成其立体波导结构。立体波导结构可以进行全部或局部的金属化处理。还有，基于塑料成型工艺制成的所有腔体结构侧面其具有便于开模的倾斜。上述的这些设计可以提升我们的制作工艺，提高制作的模块化、自动化及提升连续生产的可能。
本发明可以将上述的阵列天线应用于雷达设备中。实现宽带高增益辐射特性的同时，拥有紧凑尺寸和低剖面的特点，增加MIMO阵列的布阵灵活性，以更好的满足雷达的布阵需求。

Claims (13)

1.一种阵列天线，其特征在于，包括：辐射口径部分、辐射传输部分、过渡部分，布线传输部分及信号输入端口；
所述信号输入端口，其与所述布线传输线部分的末端相连；
所述过渡部分，连接所述布线传输部分和所述辐射传输部分；
所述辐射传输部分包括辐射传输腔，辐射传输腔为腔体结构，位于辐射口径部分的下方；
所述辐射口径部分包括至少多个辐射缝隙和辐射腔体；
按发射信号时的路径为：第一信号经过所述布线传输线被馈送至所述过渡部分，沿着所述辐射传输部分开口处馈入，第二信号后在辐射传输腔内传输，所述辐射口径部分位于辐射传输部分的上部，该辐射传输腔体内的能量通过辐射口径部分向外辐射。
2.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述辐射传输部分开口处设置在辐射传输腔底部的中间位置，所述过渡部分是从辐射传输腔中间开口，沿着水平方向延伸设置，其包括至少台阶，凹陷，Y型枝节或T型枝节等一个或多个特征。
3.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述辐射传输部分开口处设置在辐射传输腔底部的中间位置，所述过渡部分可以从辐射传输腔中间，沿着垂直方向延伸设置，其包括至少台阶、凹陷、缝隙和耦合枝节等一个或多个特征。
4.如权利要求2或3所述的阵列天线，其特征在于，所述一个或多个台阶为辐射传输腔的下表面中心线上有沿着腔体延伸方向突起设置的，其中所述台阶从辐射传输腔体中间开口处断开。
5.如权利要求4所述的阵列天线，其特征在于，台阶高度小于传输辐射腔体高度，其中台阶相对于辐射传输腔体中心线偏移的程度，以调节辐射传输腔左右两侧获得能量的分布。
6.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述辐射口径部分为单层，单层的辐射口径部分包括1个、多个辐射缝隙或辐射腔体。
7.如权利要求1所述的阵列天线，其特征在于，所述辐射口径部分为多层，所述多层的辐射口径包括多个独立的辐射缝隙或辐射腔体，在独立的辐射缝隙或辐射腔体上方，有至少一层大的辐射腔体，口径覆盖所有独立的辐射缝隙或辐射腔体。
8.如权利要求6或7所述的一种阵列天线，其特征在于，所述辐射腔体是对称结构和非对称结构中的其中一种，根据天线波束要求利用所述辐射腔体的结构对波束指向进行控制。
9.如权利要求1所述的一种阵列天线，其特征在于，所述信号输入端口是波导口、基片集成波导、微带线、带状线或共面波导在内的射频传输线端口。
10.如权利要求1所述的一种阵列天线，其特征在于，所述布线传输部分是空腔波导、基片集成波导、微带线、或者共面波导在内的射频传输线的一种。
11.如权利要求1所述的一种阵列天线，其特征在于，所述辐射口径部分和辐射传输部分、过渡结构部分、布线传输部分及信号输入端口的任一结构采用金属机加工工艺或3D打印工艺或塑料成型制成其立体波导结构。
12.根据权利要求11所述的一种阵列天线，其特征在于，所述的立体波导结构进行全部或局部的金属化处理。
13.一种雷达设备，其特征在于，包括权利要求1至权利要求13任意一项所述的阵列天线。
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